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這是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題。幾十年來(lái)，有關(guān)催化劑的資料積累了許多，也提出過(guò)不少的催化理論，但至今還缺乏適用范圍廣泛的理論來(lái)闡明催化劑的作用原理，并指導(dǎo)人們更好地選擇催化劑。這是由于催化反應(yīng)，特別是多相催化反應(yīng)，是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題。它不僅涉及一般的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，而且還涉及到固體物理學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)和表面化學(xué)等學(xué)科，而這些都是人們至今還在探索的科學(xué)領(lǐng)域。另一方面，催化理論的研究，還必須借助于先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)手段，但目前研究催化劑反應(yīng)機(jī)理的實(shí)驗(yàn)工具還不夠完善，至今人們還無(wú)法洞察催化反應(yīng)在進(jìn)行過(guò)程中催化劑表面的結(jié)構(gòu)變化，以及反應(yīng)物在具體催化過(guò)程中的轉(zhuǎn)化情況。目前催化理論落后于催化劑在工業(yè)生產(chǎn)中所獲得的巨大成就，所以必須加強(qiáng)催化學(xué)科基礎(chǔ)理論的研究。
催化劑與反應(yīng)物同處于均勻的氣相或液相中的催化稱為單相催化（又叫均相催化）。單相催化一般認(rèn)為是反應(yīng)物與催化劑先生成一定的中間產(chǎn)物，然后催化劑又從這些中間產(chǎn)物中產(chǎn)生出來(lái)。反應(yīng)物與催化劑形成中間產(chǎn)物，再由中間產(chǎn)物變?yōu)楫a(chǎn)物的總的活化能，要比反應(yīng)物之間直接反應(yīng)成為生成物的活化能小得多。
催化劑自成一相（固相），在催化劑表面進(jìn)行的催化作用叫做多相催化。對(duì)于多相催化反應(yīng)，目前有三種理論：即活性中心理論、活化絡(luò)合物理論和多位理論。
（1）活性中心理論
活性中心理論認(rèn)為，催化作用發(fā)生在催化劑表面上的某些活性中心。由于這些活性中心對(duì)反應(yīng)物分子產(chǎn)生化學(xué)吸附，使反應(yīng)物分子變形，化學(xué)鍵松弛，呈現(xiàn)活化狀態(tài)，從而發(fā)生催化作用。在固體表面，活性中心存在于棱角、突起或缺陷部位。因?yàn)檫@些部位的價(jià)鍵具有較大的不飽和性，所以具有較大的吸附能力。通常活性中心只占整個(gè)催化劑表面的很小部分。例如，合成氨的鐵催化劑的活性中心只占總表面積的0.1％。活性中心理論可以解釋：為什么微量的毒物就能使催化劑喪失活性（毒物破壞或占據(jù)活性中心），為什么催化劑的活性與制備條件有關(guān)（制備條件能影響晶體結(jié)構(gòu)，即影響活性中心的形成）。
（2）活化絡(luò)合物理論
（3）多位理論
活性中心理論和活化絡(luò)合物理論都沒(méi)有注意到催化劑表面活性中心的結(jié)構(gòu)，因而不能充分解釋催化劑的選擇性。多位理論認(rèn)為，表面活性中心的分布不是雜亂無(wú)章的，而是具有一定的幾何規(guī)整性。只有活性中心的結(jié)構(gòu)與反應(yīng)物分子的結(jié)構(gòu)成幾何對(duì)應(yīng)時(shí)，才能形成多位的活化絡(luò)合物，從而發(fā)生催化作用。這時(shí)催化劑的活性中心不僅使反應(yīng)分子的某些鍵變得松弛，而且還由于幾何位置的有利條件使新鍵得以形成。
上述的三種多相催化理論都能解釋一些現(xiàn)象，但還有許多事實(shí)不能說(shuō)明。在這三種理論中，有兩點(diǎn)是共同的：第一，認(rèn)為催化劑表面有活性中心存在，催化劑表面結(jié)構(gòu)不是均勻的，催化能力不是各處一樣。第二，認(rèn)為反應(yīng)物分子與活性中心之間相互作用的結(jié)果使化學(xué)鍵發(fā)生改組，從而生成產(chǎn)物。至于活性中心的本質(zhì)和活化絡(luò)合物的本質(zhì)，是今后需進(jìn)一步研究的重要課題。